Luận văn Nghiên cứu phần mềm toán học maple và ứng dụng trong dạy và học hình giải tích

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM TOÁN HỌC MAPLE VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẠY VÀ HỌC HÌNH GIẢI TÍCH Chuyên ngành : Phương pháp Toán sơ cấp Mã số : 60.46.40 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐÀ NẴNG - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH Trần Quốc Chiến Phản biện 1 : TS. Cao Văn Nuôi Phản biện 2 : TS. Hoàng Xuân Tuyến Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 6 năm 2011. *. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại Học sư phạm, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Hiện nay, nhiều quốc gia ñã xem công nghệ thông tin (CNTT) là một phương tiện ñể ñổi mới phương pháp dạy học. Đó cũng chính là xu thế mà chúng ta ñang hướng ñến. Bộ Giáo Dục và Đào Tạo ñã có chỉ thị số: 55/2008/CT- BGDĐT về “tăng cường giảng dạy, ñào tạo và ứng dụng công nghệ thông tin trong ngành giáo dục giai ñoạn 2008-2012”. Công nghệ thông tin là công cụ ñắc lực hỗ trợ ñổi mới phương pháp giảng dạy, học tập, góp phần nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng giáo dục. Để hưởng ứng chủ trương này, mô hình dạy học có hỗ trợ của CNTT ñã xuất hiện ñan xen với dạy học truyền thống. Đưa công nghệ thông tin vào trong nhà trường như là phương tiện dạy học, là một hướng mới ñược nhiều nhà nghiên cứu giáo dục trong nước và ngoài nước ñánh giá cao. Với cuộc cách mạng khoa học công nghệ diễn ra trên phạm vi toàn cầu ñã ảnh hưởng mạnh mẽ ñến giáo dục. Sự “bùng nổ” thông tin do sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ làm xuất hiện nhanh và nhiều tri thức mới. Đồng thời những tri thức cũ nhanh chóng lỗi thời lạc hậu. Máy tính ñiện tử cùng với các phần mềm toán học nổi tiếng ñã và ñang ñóng góp một phần ñáng kể trong giáo dục nói chung và môn Toán nói riêng, ñó là cung cấp thông tin và xử lý thông tin. Ngoài ra nó là phương tiện hữu hiệu của quá trình dạy học. Cụ thể là tạo ra các ñồ dùng dạy học trực quan sinh ñộng trong dạy học, qua ñó tạo ra môi trường dạy học tích cực và có một số tính năng tốt chẳng hạn như: - Lưu trữ khối lượng thông tin khổng lồ, xử lý và tính toán với tốc ñộ cực kỳ nhanh chóng và chính xác. - Khả năng hoạt hình, màu sắc sinh ñộng có sức thu hút học sinh - Khả năng xây dựng biểu ñồ, vẽ ñồ thị với tốc ñộ chính xác cao Maple là một hệ thống tính toán trên các biểu thức ñại số và minh họa toán học mạnh mẽ của công ty Warterloo Maple Inc ( ra ñời khoảng năm 1991. Maple có cách cài ñặt ñơn giản, chạy trên tất cả các hệ ñiều 4 hành, có cấu trúc linh hoạt ñể sử dụng tối ưu cấu hình máy và ñặt biệt có phần trợ giúp(Help) rất dễ sử dụng. Từ phiên bản 1 ñến nay ñã phát triển ñến phiên bản 14, Maple cung cấp ngày càng nhiều các công cụ trực quan, các gói lệnh tự học gắn liền với toán phổ thông và ñại học. Ưu ñiểm ñó ñã làm cho Maple ngày càng ñược nhiều nước trên thế giới sử dụng trong dạy học Toán. Maple có các tính năng cơ bản sau: - Là một hệ thống tính toán trên một biểu thức ñại số. - Có thể thực hiện ñược hầu hết các phép toán cơ bản trong chương trình toán phổ thông và ñại học . - Cung cấp các công cụ minh họa hình học thuận tiện gồm: Vẽ ñồ thị tĩnh và ñộng của các ñường và mặt ñược cho bởi các hàm tùy ý trong nhiều hệ tọa ñộ khác nhau. - Một ngôn ngữ lập trình ñơn giản và mạnh mẽ có khả năng tương tác với các ngôn ngữ lập trình khác nhau. - Cho phép xuất ra các ñịnh dạng khác nhau như Latex, Word, - Một công cụ biên soạn giáo án và bài giảng ñiện tử, thích hợp với các lớp học tương tác trực tiếp. - Một trợ giáo hữu ích cho học sinh và sinh viên trong việc tự học. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý luận về tính tích cực, sáng tạo của học sinh vai trò của bài toán ñối với việc phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong quá trình dạy học Toán. Tìm hiểu thực trạng xây dựng bài toán phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh ở trường trung học phổ thông, nguyên nhân và giải pháp. Xác ñịnh các yêu cầu của bài toán cần xây dựng, cách xây dưng các bài toán và cách vận dụng các phần mềm toán học hỗ trợ trong quá trình dạy học. Trên cơ sở nghiên cứu ñặc ñiểm chương trình môn toán trung học phổ thông và phần mềm toán học Maple, tiến hành xây dựng các bài toán cụ thể trong hình học giải tích với sự hỗ trợ của phần mềm toán học Maple ñể phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học. 5 3. Đối tượng nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phần mềm toán học Maple và ứng dụng trong dạy và học hình giải tích. 3.2. Khách thể nghiên cứu: Khách thể nghiên cứu của ñề tài là các bài toán về hình giải tích với sự hỗ trợ của phần mềm toán học Maple. 3.3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi về quy mô: Nghiên cứu việc xây dựng bài toán về hình giải tích với sự hỗ trợ của phần mềm toán học Maple. Phạm vi thời gian: Nghiên cứu trong năm học 2009 – 2010 4. Giả thuyết khoa học Sử dụng phần mềm toán học Maple hỗ trợ vào dạy học hình giải tích giúp học sinh hiểu sâu sắc hơn, phát huy tính tích cực, sáng tạo cho học sinh. Đối với giáo viên thì giúp kiểm tra kết quả bài toán nhanh chóng và chính xác. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp dạy học môn Toán, ñặc ñiểm chương trình môn toán THPT. Nghiên cứu vai trò của công nghệ thông tin trong việc thiết kế môi trường dạy học tích cực. Nghiên cứu phần mềm Maple và sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ vào dạy và học hình giải tích 6. Phương pháp nghiên cứu 6.1. Phương pháp nghiên cứu lý luận Sưu tầm tài liệu liên quan ñến lý luận dạy học, nội dung kiến thức toán liên quan ñến nội dung ñề tài nghiên cứu, phần mềm toán học Maple. Phân tích tài liệu. 6 Tổng hợp tài liệu. 6.1. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn Phỏng vấn, phiếu ñiều tra học tập. Thực nghiệm sư phạm. 7. Cấu trúc luận văn Luận văn ñược chia thành bốn chương: Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày vắn tắt các kiến thức cơ bản có liên quan ñến toạ ñộ trong mặt phẳng và toạ ñộ trong không gian như ñiểm, ñường thẳng ,.... Chương 2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MAPLE Đây là chương lý thuyết, chương này giới thiệu về Maple, cấu trúc và giao diện, cú pháp câu lệnh Maple với số học, ñại số, giải tích và ñặc biệt là trong hình giải tích. Chương 3. ỨNG DỤNG MAPLE TRONG DẠY VÀ HỌC HÌNH GIẢI TÍCH Đây là chương ứng dụng Maple ñể giải các bài toán cụ thể trong hình giải tích bao gồm trong toạ ñộ mặt phẳng Oxy trên các ñối tượng ñiểm, ñường thẳng, ñường tròn, ñường cônic, các bài toán toạ ñộ trong không gian Oxyz trên các ñối tượng ñiểm, ñường thẳng, mặt phẳng, mặt cầu,... Chương 4. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM Tiến hành thực nghiệm ñể kiểm ñịnh tính hiệu quả của việc sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ dạy và học hình giải tích. Thực nghiệm sư phạm ñể thấy ưu ñiểm của ñồ dùng dạy học ảo bằng cách sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ thiết kế. Từ ñó, ñem áp dụng kết quả của luận văn vào thực tiễn ñổi mới phương pháp dạy học ở trường phổ thông trong giai ñoạn hiện nay. 7 Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Hình học giải tích trong mặt phẳng 1.1.1. Tọa ñộ 1.1.1.1. Tọa ñộ của vectơ Định nghĩa u xi yj= +r rr ⇔ ur = (x ; y) với r i , r j là vectơ ñơn vị. Tính chất Cho hai vectơ ur = (x ; y) và v (x ';y ')=r , khi ñó u r = v r ⇔ x x ' y y ' =  = ; u r ± vr = ( x ± x ' ; y ± y' ) ; k ur = (kx ; ky) ; v r cùng phương với ur (ur ≠ r 0 ) ⇔ x y x ' y ' = ( x ' , y' ≠ 0). Biểu thức toạ ñộ của tích vô hướng Cho hai vectơ r a= (x1 ; y1) và r b = (x2 ; x2) khi ñó r a . r b = x1 .x2 + y1.y2 ; r a⊥ r b ⇔ x1 .x2 + y1.y2 = 0 ; | r a | = 2 2x y+ ; cos( r a , r b ) = 1 2 1 2 2 2 2 2 1 1 2 2 x x y y x y x y + + + . 1.1.1.2. Tọa ñộ của ñiểm OM xi yj= +uuuur r r ⇔ M (x ; y) (với O là gốc tọa ñộ). Cho 2 ñiểm A(xA ; yA) ; B(xB ; yB) Khi ñó =AB (xB - xA ; yB - yA) ; AB = | AB | = − + −2 2 B A B A (x x ) (y y ) . 8 Nếu I là trung ñiểm của AB thì  + =  + =  A B I A B x x x 2 y y y 2 ; Nếu G là trọng tâm của ∆ABC thì  + + =  + + =  A B C G A B C G x x x x 3 y y y y 3 . 1.1.2. Đường thẳng 1.1.2.1. Vectơ pháp tuyến, vectơ chỉ phương của ñường thẳng r n là vectơ pháp tuyến của ñường thẳng ∆ ⇔  ≠  ⊥ ∆ r r r n 0 giaï cuaí n u r là vectơ chỉ phương của ñường thẳng ∆ ⇔  ≠  ∆ r r r u 0 gia ï cuía u song song hoàcû truìng 1.1.2.2. Phương trình tổng quát, phương trình tham số của ñường thẳng Phương trình tổng quát: ax + by + c = 0 (a2 + b2 ≠ 0) Phương trình tham số cuía âæåìng thàóng ∆ âi qua âiãøm M o (x 0 ; y 0 ) nhận ru = (u1 ; u2) làm vectơ chỉ phương là :  = +  = + 0 1 0 2 x x u t y y u t (u12 + u22 > 0). 1.1.3. Khoảng cách Khoảng cách từ ñiểm M0 (xo ; yo) ñến ñường thẳng ∆ : ax + by + c = 0 là : d(M0 ; ∆) = + + + o o 2 2 | ax by c | a b . 1.1.4. Góc Cho hai ñường thẳng ∆ 1 và ∆ 2 lần lượt có phương trình a1x + b1y + c1 = 0 và a2x + b2y + c2 = 0. Khi ñó giữa ∆1 và ∆2 ñược xác ñịnh : 9 cos(∆ 1 , ∆ 2 ) = 2 2 2 2 2 1 2 1 2121 ba.ba |bbaa| ++ + . 1.1.5. Đường tròn 1.1.5.1. Phương trình của ñường tròn tâm I bán kính R Phương trình ñường tròn tâm I(x0 ; y0), bán kính R có dạng: (x - x 0 )2 + (y - y 0 )2 = R2. Phương trình x2 + y2 + 2ax + 2by + c = 0 (a2 + b2 - c > 0) là phương trình ñường tròn tâm I (- a ; -b), bán kính R = a b c2 2+ - . 1.1.5.2. Phương trình tiếp tuyến của ñường tròn Phương trình tiếp tuyến tại ñiểm M(xM ; yM) của ñường tròn (x - x0)2 + (y - y0)2 = R2 là (xM - xo)(x - xM) + (yM - y0)(y - yM) = 0. 1.1.6. Elip 1.1.6.1. Định nghĩa (E) = {M| MF1 +MF2 = 2a} ,với F1, F2 cố ñịnh, F1F2 =2c và a > c > 0. 1.1.6.2. Phương trình chính tắc của elip x y a b 2 2 2 2 1+ = , = - 2 2 2b a c . 1.1.7. Hypebol 1.1.7.1. Định nghĩa (H) = {M| 1 2 2MF MF a− = } , với F1, F2 cố ñịnh, F1F2 =2c và 0 < a< c. 1.1.7.2. Phương trình chính tắc của hypebol - = 2 2 2 2 x y 1 a b , ( = -2 2 2b c a ). 1.1.8. Parabol 1.1.8.1. Định nghĩa (P)={M| d(M ; ∆) = MF} với F và ∆ cố ñịnh. Trong ñó: d(M ; ∆) là khoảng cách từ M ñến ñường thẳng ∆. 10 1.1.8.2. Phương trình chính tắc của parabol pxy 22 = (p khoảng cách từ F ñến ñường thẳng ∆). 1.2. Hình học giải tích trong không gian 1.2.1. Toạ ñộ trong không gian 1.2.1.1. Tọa ñộ của vectơ ( ; ; ) ( ; ; )u x y z u x y z u xi y j zk= ⇔ ⇔ = + + r r r r r r với r i , r j , r k là vectơ ñơn vị. 1.2.1.2. Tọa ñộ của ñiểm ( ; ; )M x y z OM xi y j zk⇔ = + + uuuur r r r với r i , r j , r k là vectơ ñơn vị. 1.2.2. Mặt phẳng 1.2.2.1. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng Vectơ r n ≠ 0 r và có giá vuông góc mặt phẳng (P) ñược gọi là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P). 1.2.2.2. Phương trình tổng quát của mặt phẳng 0Ax By Cz D+ + + = (A2 +B2 + C2 > 0). 1.2.2.3. Vị trí tương ñối của hai mặt phẳng Trong hệ tọa ñộ Oxyz cho 2 mặt phẳng: ( ) : 0 ( ) : ' ' ' ' 0 P Ax By Cz D Q A x B y C z D + + + = + + + = - (P) cắt (Q) ⇔ : : ' : ' : 'A B C A B C≠ - (P) // (Q) ⇔ ' ' ' ' A B C D A B C D = = ≠ - (P) ≡ (Q) ⇔ ' ' ' ' A B C D A B C D = = = - (P) ⊥ (Q) ⇔ ' ' ' 0AA BB CC+ + = . 11 1.2.3. Đường thẳng 1.2.3.1.Vectơ chỉ phương của ñường thẳng u r là vectơ chỉ phương của ñường thẳng ∆ ⇔  ≠  ∆ r r r u 0 gia ï cuía u song song hoàcû truìng . 1.2.3.2. Phương trình tham số, phương trình chính tắc của ñường thẳng Phương trình tham số của ñường thẳng ∆ qua ñiểm M(x0 ; y0 ; z0) và có vectơ chỉ phương ( ); ;u a b c=r là: 0 0 0 x x at y y bt z z ct = +  = +  = + (t ∈ R). - Phương trình chính tắc Đường thẳng ∆ qua ñiểm M(x0 ; y0 ; z0) và vectơ chỉ phương ( ); ;u a b c=r là : 0 0 0x x y y z z a b c − − − = = (abc ≠ 0). 1.2.3.3. Vị trí tương ñối của hai ñường thẳng Cho 2 ñường thẳng d (qua A và có vectơ chỉ phương r u ) và d’ (qua B và có vectơ chỉ phương ′ ur u ) - Hai ñường thẳng d và d’ trùng nhau khi: , ,′ r ur uuur u u AB ñôi một cùng phương ⇔ , , 0u u u AB   ′ = =    r ur r uuur r . - Hai ñường thẳng d và d’ song song khi: ,u u′ r ur cùng phương và ,u AB r uuur khác phương ⇔ , 0 , 0 u u u AB  ′ =     ≠  r ur r r uuur r . - Hai ñường thẳng d và d’ cắt nhau khi: ,u u′ r ur khác phương và , ,u u AB′ r ur uuur ñồng phẳng ⇔ , 0 , . 0 u u u u AB  ′ ≠    ′ =  r ur r r ur uuur . 12 - Hai ñường thẳng d và d’ chéo nhau khi: , ,u u AB′ r ur uuur không ñồng phẳng ⇔ , . 0u u AB ′ ≠  r ur uuur . 1.2.4. Khoảng cách 1.2.4.1. Khoảng cách giữa hai ñiểm 2 2 2( ) ( ) ( )B A B A B AAB x x y y z z= − + − + − . 1.2.4.2. Khoảng cách từ một ñiểm ñến một mặt phẳng Cho Mo(xo ; yo ; zo) và (P): Ax+By+Cz+D=0 2 2 2 ( ,( )) o o o o Ax By Cz Dd M P A B C + + + = + + . 1.2.4.3. Khoảng cách từ một ñiểm ñến một ñường thẳng Cho Mo(xo ; yo ; zo) và ñường thẳng d (qua A và có vectơ chỉ phương u r : 0 ,( , ) | |o AM u d M d u     = uuuuur r r . 1.2.4.4. Khoảng cách giữa hai ñường thẳng chéo nhau 1 2 1 2 1 2 , . ( , ) , u u AB d d d u u     =     ur uur uuur ur uur . 1.2.5. Góc 1.2.5.1. Góc giữa hai ñường thẳng Đường thẳng d có vectơ chỉ phương uur du và ñường thẳng d’ có vectơ chỉ phương 'du uur . Khi ñó ( )'cos( , ') cos ,d dd d u u= uur uur . 1.2.5.2. Góc giữa hai mặt phẳng Mặt phẳng (P) có vectơ pháp tuyến Pn uur và mặt phẳng (Q) có vectơ pháp tuyến Qn uur . Khi ñó ( )cos(( ),( )) cos ,P QP Q n n= uur uur . 1.2.5.3. Góc giữa ñường thẳng và mặt phẳng d • A • MO d1 d2 A B M N • • • • 13 Đường thẳng d có vectơ chỉ phương vectơ chỉ phương du uur và (P) có pháp tuyến Pn uur . Khi ñó ( )sin( ,( )) cos ,d Pd P u n= uur uur . 1.2.6. Mặt cầu 1.2.6.1. Định nghĩa Cho ñiểm O cố ñịnh và số thực R. Tập hợp các ñiểm M trong không gian cách ñiểm O một khoảng bằng R ñược gọi là mặt cầu tâm O bán kính R. Kí hiệu: S(O, R) = { }M OM R= . 1.2.6.2. Phương trình mặt cầu - Phương trình theo tâm I(x0 ; y0 ; z0) và bán kính R ( ) ( ) ( )2 2 2 20 0 0x x y y z z R− + − + − = . - Phương trình dạng khai triển 2 2 2 2 2 2 0x y z ax by cz d+ + + + + + = (a2 + b2 + c2 – d > 0) Tâm I(-a ; -b; -c) , bán kính 2 2 2R a b c d= + + − . Chương 2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MAPLE 2.1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm Maple Maple là một hệ thống tính toán trên các biểu thức ñại số và minh họa toán học mạnh mẽ của công ty Warterloo Maple Inc. Maple có cách cài ñặt ñơn giản, chạy trên tất cả các hệ ñiều hành. Maple cung cấp nhiều các công cụ trực quan, các gói lệnh tự học gắn liền với toán phổ thông và ñại học. 2.2. Cấu trúc và giao diện Khi khởi ñộng Maple, chương trình chỉ tự ñộng kích hoạt nhân của Maple bao gồm các phép toán và chức năng cơ bản, các dữ liệu còn lại của Maple ñược lưu giữ trong thư viện của Maple và ñược chia ra 2 nhóm: nhóm các lệnh cơ bản và nhóm các gói lệnh. 2.3. Lưu trữ và trích xuất dữ liệu 14 Trang làm việc của Maple ñược lưu dưới dạng tệp (file) có phần mở rộng “.mws”. File ñược lưu giữ bằng File/Save. 2.4. Các thao tác ñầu tiên 2.4.1. Nhập biểu thức 2.4.1.1. Dữ liệu Maple cho phép nhập 3 loại kiểu dữ liệu là lệnh, công thức và văn bản 2.4.1.2. Thực hiện lệnh Mỗi lệnh trong Maple phải kết thúc bởi dấu (;) hoặc dấu (:). Nhấn Enter ñể thực hiện lệnh trên dòng trỏ. 2.4.1.3. Thông báo lỗi Nếu biểu thức nhập có lỗi cú pháp, Maple sẽ thông báo syntax error... và trỏ ñến vị trí lỗi ñầu tiên. 2.4.2. Toán tử, hàm và hằng 2.4.2.1. Toán tử cơ bản 2.4.2.2. Hàm số cơ bản 2.4.2.3. Hằng 2.4.3. Thực hiện các tính toán từ dấu nhắc 2.4.4. Tìm căn bậc hai của một số 2.4.5. Tìm giá trị gần ñúng của một số 2.5. Các phép toán cơ bản 2.5.1. Khai triển một biểu thức 2.5.2. Phân tích một ña thức thành tích của các biểu thức ñơn giản 2.5.3. Đơn giản một biểu thức 2.5.4. Tối ưu các phân thức hữu tỉ 2.5.5. Đơn giản căn thức 2.5.6. Khử căn ở mẫu của một biểu thức vô tỷ 2.5.7. Phân tích một biểu thức hữu tỷ thành tổng các phân thức ñơn giản 2.6. Maple với số học 2.6.1. Số nguyên tố 15 2.6.2. Tìm ước chung lớn nhất, bội chung nhỏ nhất của các số nguyên 2.6.3. Tìm thương và số dư 2.7. Maple với ñại số 2.7.1. Giải phương trình, bất phương trình, hệ phương trình 2.7.2. Các hàm liên quan ña thức 2.8. Maple với giải tích 2.8.1. Giới hạn 2.8.2. Đạo hàm 2.8.3. Nguyên hàm và tích phân 2.9. Maple với hàm số 2.9.1. Định nghĩa một hàm số 2.9.2. Xác ñịnh hàm số f từ một biểu thức p(x) 2.9.3. Hàm số hợp của hàm số f và hàm số g{f(x)} 2.9.4. Hàm số fn(x), (f(f...f(x))..), n chữ số f) 2.9.5. Hàm số cho bởi nhiều công thức 2.9.6. Đồ thị hàm số 2.9.6.1. Vẽ ñồ thị hàm số y = f(x) 2.9.6.2. Vẽ nhiều ñồ thị trên một hệ trục 2.9.6.3. Vẽ ñồ thị ñộng 2.10. Maple với hình học giải tích 2.10.1. Các tính toán trong hình học phẳng: Gói geometry 2.10.1.1. Các hàm trên ñối tượng ñiểm 2.10.1.2. Các hàm trên ñối tượng ñường thẳng 2.10.1.3. Các hàm trên ñối tượng ñường tròn 2.10.1.4 Các hàm trên ñối tượng tam giác 2.10.2. Các tính toán trong hình học không gian: Gói geom3d 2.10.2.1. Các hàm trên ñối tượng ñiểm 2.10.2.2. Các hàm trên ñối tượng ñường thẳng 16 2.10.2.3. Các hàm trên ñối tượng mặt phẳng 2.10.2.4. Các hàm trên ñối tượng mặt cầu 2.11. Các tình huống sử dụng Maple trong dạy học Toán ở trường phổ thông 2.11.1. Gói lệnh Student hỗ trợ cho việc dạy và học toán Chương 3. ỨNG DỤNG MAPLE TRONG DẠY VÀ HỌC HÌNH GIẢI TÍCH 3.1. Hình học giải tích trong mặt phẳng 3.1.1. Các bài toán liên quan ñến ñối tượng ñiểm Bài toán 1. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho 3 ñiểm A(2;3) B(-2;4) C(-4;7). a) Tìm tọa ñộ ñiểm M là trung ñiểm của ñoạn thẳng AB. b) Chứng minh A, B, C là 3 ñỉnh của một tam giác. c) Tìm tọa ñộ trọng tâm G của ∆ABC. d) Tìm tọa ñộ trực tâm H của ∆ABC. e) Tính ñộ dài 3 cạnh của ∆ABC. f) Tính ñộ dài ñường cao của ∆ABC hạ từ ñỉnh A. Bài toán 2. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho tam giác ABC có phương trình AB: a) Tìm toạ ñộ các ñiểm A, B, C. b) Tìm toạ ñộ trực tâm H của tam giác ABC. c) Tính khoảng cách từ trọng tâm ñến cạnh BC của tam giác ABC. d) Tìm toạ ñộ hình chiếu N của ñiểm M(1;2) lên ñường thẳng AB. e) Tìm toạ ñộ ñiểm P ñối xứng với M qua AB. 3.1.2. Các bài toán liên quan ñến ñối tượng ñường thẳng Bài toán 1. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho tam giác ABC có A(5; 1), B(2 ; 3), C(-6 ; -1). a) Viết phương trình ñường trung tuyến AM của tam giác ABC . b) Viết phương trình ñường phân giác trong AD của tam giác ABC . 17 c) Viết phương trình ñường phân giác ngoài AE của tam giác ABC . Bài toán 2. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho ñường thẳng d1 ñi qua hai ñiểm A(-1,3) và B (2, 5) và d2 : x + y + 1 = 0. a) Viết phương trình ñường thẳng d1. b) Tìm giao ñiểm K của d1, d2. c) Tìm góc giữa hai ñường thẳng d1, d2. d) Tìm khoảng cách l giữa d1, d2. Bài toán 3. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho 2 ñường thẳng d1: x-3y+1=0; d2: x+2y-5=0 và ñiểm A(-5;6). a) Tìm tọa ñộ giao ñiểm M của 2 ñường thẳng d1, d2. b) Tìm tọa ñộ C ñối xứng với A qua ñường thẳng d1. c) Tìm góc giữa 2 ñường thẳng d1 và d2. Bài toán 4. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy hãy a) Viết phương trình ñường thẳng ñi qua ñiểm P(2 ; 3) và song song với ñường thẳng d: x + y - 1 = 0. b) Viết phương trình ñường thẳng ñi qua ñiểm A(5 ; -1) và vuông góc với ñường thẳng a: x + 4y + 5 = 0. 3.1.3. Các bài toán trên ñối tượng ñường tròn. Bài toán 1. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho 3 ñiểm A(5;0) B(0;1) C(3; 3). a) Viết phương trình ñường tròn ñi qua 3 ñiểm A, B, C. b) Xác ñịnh tọa ñộ tâm và bán kính ñường tròn trên . c) Tính diện tích hình tròn trên. d) Viết phương trình ñường tròn nội tiếp tam giác ABC. Bài toán 2. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho ñường tròn (C) tâm A(4;-2), bán kính R= 5. a) Viết phương trình ñường tròn (C). b) Viết phương trình tiếp tuyến với ñường tròn tại M(4; 3) nằm trên ñường tròn. b) Tìm giao ñiểm của ñường tròn (C) và ñường thẳng d: 2x - y - 2 = 0. 18 Bài toán 3. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho ñường tròn (C): và ñường thẳng d: x - y - 1 = 0. Viết phương trình ñường tròn (C') ñối xứng với (C) qua d. Tìm toạ ñộ giao ñiểm của (C) và (C'). Bài toán 4. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, viết phương trình tiếp tuyến a) Của ñường tròn (C): kẻ từ A( . b) Của ñường tròn (C1): biết tiếp tuyến song song với ñường thẳng 2x + y - 7 = 0. Bài toán 5. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho hai ñường tròn (C1): (x + 2)2 + (y - 2)2 = 2 và ñường tròn (C2): (x - 2)2 + (y - 2)2 = 1. Tìm toạ ñộ tâm vị tự trong và tâm vị tự ngoài của hai ñường tròn (C1) và (C2). Bài toán 6. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho A(11;-7) B(23;9) C(-1;2). a) Viết phương trình ñường trung tuyến hạ từ ñỉnh A của tam giác ABC b) Tìm tọa ñộ trực tâm H của tam giác ABC. c) Viết phương trình ñường tròn nội tiếp tam giác ABC. 3.1.4. Bài toán trên ñối tượng ñường cônic Bài toán 1. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, viết phương trình chính tắc của elip biết a) Một tiêu ñiểm F(-4;0), tâm sai e = 4/5 và một ñường chuẩn có phương trình x = -25/4. b) Hai tiêu ñiểm F1(-2;0), F2(2;0) và ñộ dài trục lớn bằng 8. c) Hai tiêu ñiểm F1(-3;0), F2(3;0) và ñộ dài trục nhỏ bằng 6. d) Hai ñỉnh thuộc trục lớn A1(-6;0), A2(6;0), hai ñỉnh thuộc trục nhỏ B1(0;-2), B2(0;2). Bài toán 2. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, cho elip . Xác ñịnh toạ ñộ tiêu ñiểm, ñộ dài trục lớn, trục nhỏ của elip. Bài toán 3. Trong mặt phẳng toạ ñộ Oxy, viết phương trình chính tắc của hypebol biết: a) Tiêu ñiểm F1(-4;0), F2(4;0), và khoảng cách giữa hai ñỉnh trên trục thực là 6. 19 b) Tiêu ñiểm F1(-5;0), F2(5;0), và hai ñỉnh A1(-3;0), A2(3;0). 3.2. Hình học giải tích trong không gian 3.2.1. Bài toán trên ñối tượng ñiểm. Bài toán. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, cho ñiểm A(2,3,1), B(-3,1,3). Xác ñịnh trung ñiểm ñoạn thẳng AB. 3.2.2. Bài toán trên ñối tượng ñường thẳng. Bài toán. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, cho ñường thẳng d1 ñi qua ñiểm A(2,3,1), B(-3,1,3) và ñường thẳng d2 cho bởi x= 2+2t, y= 1-4t, z = 3t. a) Tìm giao ñiểm của hai ñường thẳng trên. b) Tìm góc giữa hai ñường thẳng ñó. c) Tính khoảng cách từ B ñến d2. d) Xác ñịnh hình chiếu N của B lên d2. e) Xác ñịnh ñiểm ñối xứng B1 của B qua d2. 3.2.3. Bài toán trên ñối tượng mặt phẳng. Bài toán. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng qua 3 ñiểm A(2,3,1), B(-3,1,3), C(0,0,0). a) Xác ñịnh giao tuyến của hai mặt phẳng p1 có phương trình 2x -3y + z = 0 và mặt phẳng trên. b) Xác ñịnh khoảng cách giữa ñiểm A và p1. c) Xác ñịnh góc giữa hai mặt phẳng ñó. 3.2.4. Bài toán trên ñối tượng mặt cầu Bài toán. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, cho tứ diện SABC với A(1, 2,-3), B(3,2,-1), C(3,4,3), S(-1,1,5). a) Tính thể tích khối tứ diện SABC . b) Viết phương trình mặt phẳng (ABC). c) Tính tọa ñộ hình chiếu các ñỉnh S lên mặt phẳng (ABC). d) Tính ñộ dài các ñường cao của SABC hạ từ S. e) Viết phương trình mặt cầu ngoại tiếp của SABC. f) Tính diện tích mặt cầu ngoại tiếp của SABC và thể tích khối cầu ñó. 20 3.2.5. Các bài toán tổng hợp Bài toán 1. Trong không gian với hệ tọa ñộ Oxyz cho 3 ñiểm: A(2;-3;3),B(-1;2;3),C(5;1;6) . Hãy viết phương trình tham số của ñường thẳng (d) ñi qua trọng tâm G của tam giác ABC và vuông góc với mặt phẳng chứa tam giác. Bài toán 2. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, cho mặt phẳng (P): x + 2y - z + 3 = 0 và hai ñường thẳng Gọi (l1), (l2) luần lượt là hình chiếu vuông góc của ñường thẳng (d1), (d2) trên mặt phẳng (P). Tìm tọa ñộ giao ñiểm H của ñường thẳng (l1), (l2). Bài toán 3. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng (Q) ñi qua ñiểm A(2;-3;4) và chứa ñường thẳng : Bài toán 4. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng (P) và (Q) song song với nhau lần lượt chứa 2 ñường thẳng và Bài toán 5. Trong không gian với hệ toạ ñộ Oxyz, cho hai ñường thẳng Viết phương trình mặt phẳng (P) chứa ñường thẳng d1 và song song với ñường thẳng d2. 21 Chương 4. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 4.1. Mục ñích và ý nghĩa của thực nghiệm sư phạm 4.1.1. Mục ñích Tiến hành thực nghiệm ñể kiểm ñịnh tính hiệu quả của việc sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ dạy và học hình giải tích. Thực nghiệm sư phạm ñể thấy ưu ñiểm của ñồ dùng dạy học ảo bằng cách sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ thiết kế. Từ ñó, ñem áp dụng kết quả của luận văn vào thực tiễn ñổi mới phương pháp dạy học ở trường phổ thông trong giai ñoạn hiện nay. 4.1.2. Ý nghĩa Thực nghiệm cho kết quả tốt thì ñề tài này góp thêm tiếng nói cho việc ñổi mới phương pháp, ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học. Mặt khác, ñây là cơ hội ñể trao ñổi, thảo luận, có những chuyển biến tốt về nhận thức và thực hành về các phương pháp giảng dạy toán, ứng dụng công nghệ thông tin trong trường phổ thông. 4.2. Nội dung thực nghiệm Luận văn ñược tổ chức dạy thực nghiệm tại trường trung học phổ thông Tiểu La, huyện Thăng Bình, tỉnh Quảng Nam. Chúng tôi ñã thực hiện ñược 4 tiết, nội dung là tiết ôn tập cuối năm. Trong những tiết dạy này, chúng tôi sử dụng phần mềm Maple ñể tính toán, xây dựng các mô hình toán học ảo hỗ trợ trong quá trình dạy học. 4.3. Tổ chức thực nghiệm 4.3.1. Đối tượng thực nghiệm Chúng tôi chọn lớp thực nghiệm là lớp 12A2 gồm 48 học sinh và lớp 12C1 gồm 46 học sinh. 22 4.3.2. Quá trình thực nghiệm Thời gian tiến hành thực nghiệm: tháng 4 năm 2011 Giáo viên giảng dạy: Tác giả luận văn. Do ñiều kiện cơ sở vật chất của trường còn hạn chế, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng một máy tính kết nối với ñèn chiếu Projector. Nội dung bài dạy ñược thiết kế trên phần mềm trình diễn Powerpoint với kỹ thuật liên kết (Hyperlink) ñể kết nối với phần mềm Maple tạo nên bài giảng ñiện tử. Sau tiết dạy chúng tôi tiến hành khảo sát học sinh thông qua phiếu kiểm tra. 4.4. Kết quả thực nghiệm Kết quả khảo sát chúng tôi thu ñược là: Đối với học sinh: - Học sinh khắc phục ñược tình trạng sai sót trong quá trình tính toán. - Với ñồ dùng dạy học ảo sinh ñộng, trực quan học sinh thích thú và tiếp thu bài tốt hơn. Đối với giáo viên: Đa số giáo viên cho rằng, dạy học theo phương pháp này thì phù hợp với tâm lý nhận thức của học sinh, hiệu quả dạy học cao hơn. Khắc phục ñược những khó khăn trong quá trình xây dựng các ñồ dùng dạy học. Đồng thời họ cũng cho rằng cơ sở vật chất hiện nay khó ñáp ứng các phương tiện ñể thực hiện phương pháp dạy học mới. 4.5. Kết luận thực nghiệm Thực nghiệm sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ dạy và học hình học giải tích, khắc phục ñược các sai lầm mà học sinh thường mắc phải, ñồng thời giúp giáo viên giải quyết ñược một số khó khăn khi giảng dạy phần này. Học sinh nhanh chóng phát hiện vấn ñề, giải quyết vấn ñề, tự kiến tạo tri thức, do ñó thu hút các em vào hoạt ñộng một cách tích cực. 23 Dạy học theo mô hình này, giáo viên dễ dàng thể hiện các ý tưởng toán học khi lên lớp. Kiểm tra, ñối chiếu kết quả nhanh chóng, chính xác. Giải quyết ñược nhiều vấn ñề trong thời gian ngắn. Bên cạnh ñó còn có một số khó khăn khi thực hiện là: + Cơ sở vật chất không ñảm bảo. + Học sinh mới làm quen với máy tính nên còn bỡ ngỡ. + Giáo viên sử dụng máy tính, các phần mềm toán học còn hạn chế, do ñó họ còn e ngại khi tiếp cận với phương tiện này trong ñổi mới phương pháp dạy học toán. 24 KẾT LUẬN 1. Kết luận Luận văn với ñề tài “Nghiên cứu phần mềm toán học Maple và ứng dụng trong dạy và học hình giải tích ” ñược thực hiện từ tháng 10 năm 2010. Qua quá trình nghiên cứu ñề tài và thực nghiệm sư phạm, chúng tôi rút ra một số kết luận sau: - Luận văn ñã sử dụng phần mềm Maple hỗ trợ dạy và học hình giải tích một cách hiệu quả. - Luận văn ñã xây dựng ñược mô hình dạy học phù hợp với tâm lý, nhận thức của học sinh. Học sinh phát hiện, giải quyết vấn ñề một cách nhanh chóng và chính xác. - Luận văn ñã phân tích ñược vai trò của công nghệ thông tin, mà ñặc biệt là các phần mềm máy tính trong dạy học toán. Đề tài này vận tốt vào thực tiễn dạy học hiện nay, chúng tôi có một số khuyết nghị sau: - Mỗi trường nên trang bị phòng máy vi tính và ñèn chiếu Projector. - Phổ biến cho giáo viên, học sinh một số phần mềm toán học thông dụng. 2. Hướng mở rộng của ñề tài. Đưa công nghệ thông tin vào nhà trường như là phương tiện dạy học là một hướng ñược nhiều người chấp nhận. Vì vậy, hướng mở rộng của ñề tài là vận dụng linh hoạt phần mềm Maple ñể chuyển ñổi ngôn ngữ bài toán ñại số, hình học, giải tích.